UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
RICARDO SOARES GOMEZ
ESTUDO TEÓRICO DE UM FORNO INTERMITENTE À GÁS NATURAL, PARA A INDÚSTRIA CERÂMICA: MODELAGEM E ANÁLISE TÉRMICA
TRANSIENTE
CAMPINA GRANDE – PB 2019
RICARDO SOARES GOMEZ
ESTUDO TEÓRICO DE UM FORNO INTERMITENTE À GÁS NATURAL, PARA A INDUSTRIA CERÂMICA: MODELAGEM E ANÁLISE TÉRMICA
TRANSIENTE
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica do Centro de Ciências e Tecnologia da Universidade Federal de Campina Grande, como requisito para obtenção do título de mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Antonio Gilson Barbosa de Lima
CAMPINA GRANDE – PB 2019
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à toda minha família, em especial meus pais, Rosana Soares e Ricardo Gomez, por todo apoio, ensinamentos e amor incondicional, e por não medirem esforços para me proporcionar a melhor educação possível.
À minha noiva Viviane Ramos de Azevêdo, fazendo-se sempre presente com muito incentivo, carinho, amor e compreensão.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que me proporcionou o dom da vida, por estar sempre ao meu lado, dando-me sabedoria, humildade, coragem e principalmente perseverança nas adversidades encontradas pelo caminho.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Antonio Gilson Barbosa de Lima, pela oportunidade, paciência, dedicação e ensinamentos transmitidos durante todo o tempo que trabalhamos juntos.
Aos meus amigos de curso e grupo de pesquisa, em especial Túlio Rafael, pela amizade e ensinamentos.
À FAPESQ, CAPES, CNPQ e FINEP pelo suporte financeiro.
RESUMO
Secagem e queima de produtos cerâmicos são processos que necessitam de elevado consumo de energia. Tornar tais processos mais eficientes pode melhorar a qualidade do produto, reduzir o consumo energético e tempo de processamento e, consequentemente, promover ganhos econômicos e ambientais. Desta forma, este trabalho tem por objetivo quantificar teoricamente as transferências de calor que ocorrem em um forno cerâmico intermitente operando com gás natural durante as etapas de aquecimento e resfriamento, com e sem isolamento térmico. Toda a formulação matemática proposta é baseada nos princípios da conservação da energia (primeira lei da termodinâmica e lei de Fourier). Todo o estudo é feito via procedimentos matemáticos implementados no software Excel e planejamento experimental. Resultados de perdas de calor, distribuição de temperatura no isolamento térmico e ganho energético são apresentados e analisados. Verificou-se que a maior perda de calor ocorre por radiação nas paredes laterais do equipamento, e que é necessária uma quantidade considerável de energia para aquecer as paredes laterais, base e teto do forno. A fibra de vidro, atuando como isolamento térmico, é o material que proporciona uma maior redução na temperatura superficial externa máxima e um maior ganho energético, quando comparado com o forno sem isolamento térmico. Do planejamento experimental fatorial, foi possível obter modelos matemáticos preditivos que quantificam a influência da espessura e demais propriedades termofísicas do material isolante no ganho energético e na temperatura superficial externa máxima do forno.
ABSTRACT
Drying and firing of ceramic products are processes that require high energy consumption. Making these processes more efficient can improve product quality, reduce energy consumption and processing time and, consequently, promote economic and environmental gains. In this sense, this work aims to theoretically quantify the heat transfer that occur in an intermittent ceramic kiln operating with natural gas during the heating and cooling stages, with and without thermal insulation. All proposed mathematical formulation is based on the principles of energy conservation (first law of thermodynamics and Fourier law).All the study is done via mathematical procedures implemented in Excel software and experimental design. Results of heat losses, temperature distribution in the thermal insulation and energy gain are presented and analyzed. It was verified that the greatest heat loss occurs by radiation in the sidewalls of the equipment, and that a considerable amount of energy is required to heat the sidewalls, base and ceiling of the kiln. The fiberglass, acting as thermal insulation, is the material that provides a greater reduction in the maximum external surface temperature and a greater energetic gain, when compared to the kiln without thermal insulation. From the factorial experimental design method, it was possible to obtain predictive mathematical models that quantify the influence of the thickness and other thermophysical properties of the insulation material on the energy gain and the maximum external surface temperature of the kiln.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Curva de secagem. ... 37
Figura 2.2 - Curva da taxa de secagem. ... 37
Figura 2.3 - Curva de secagem e taxa de secagem com apenas um período de taxa decrescente. 38 Figura 2.4 - Curva de queima genérica de produtos cerâmicos em forno intermitente. ... 40
Figura 2.5 - Curva de queima genérica de produtos cerâmicos em forno tipo túnel. ... 41
Figura 2.6 - Representação de um Forno Intermitente. ... 42
Figura 2.7 - Distribuição de pressão em um forno contínuo. ... 44
-Figura 3.1 - Forno cerâmico intermitente em estudo (a) e vista em corte (b). ... 50
Figura 3.2 - Esquema da localização dos termopares nas paredes laterais direita (a) e esquerda (b) do forno. ... 51
Figura 3.3 - Corte do forno e volumes de controle na parede lateral, base e teto do mesmo. ... 53
Figura 3.4 - Considerações para análise do forno com isolamento térmico. ... 59
Figura 3.5 - Volume de controle usado na discretização. ... 62
-Figura 4.1 - Temperatura superficial externa do forno em função do tempo. ... 74
Figura 4.2 - Temperatura próxima a superfície interna do forno em função do tempo... 75
Figura 4.3 - Temperaturas superficiais interna e externa da parede do forno, e ambiente nas vizinhanças do forno em função do tempo. ... 76
Figura 4.4 - Perda de calor do forno em função do tempo. ... 76
Figura 4.5 - Comparação entre as perdas de calor pelas paredes laterais e pelo conjunto base/teto do forno em função do tempo. ... 77
Figura 4.6 - Fluxo de calor por unidade de área perdido pelo forno em função do tempo. ... 78
Figura 4.7 - Comparação entre os fluxos de calor por unidade de área perdidos pelas paredes laterais e pelo conjunto base/teto do forno em função do tempo. ... 78
Figura 4.8 - Taxas de transferência de calor no forno sem isolamento térmico. ... 79
Figura 4.9 - Taxa com que a energia é fornecida ao forno em função do tempo. ... 80
Figura 4.10 - Energia fornecida acumulada em função do tempo. ... 81
Figura 4.11 - Temperatura média no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 85
Figura 4.12 - Temperatura média no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 86 Figura 4.13 - Temperatura média no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 86 Figura 4.14 - Temperatura média no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio... 87 Figura 4.15 - Temperatura superficial externa ao isolamento durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica... 88 Figura 4.16 - Temperatura superficial externa ao isolamento durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 88 Figura 4.17 - Temperatura superficial externa ao isolamento durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 89 Figura 4.18 - Temperatura superficial externa ao isolamento durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio. ... 89 Figura 4.19 - Coeficiente de transferência de calor por convecção durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 90 Figura 4.20 - Coeficiente de transferência de calor por convecção durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 91 Figura 4.21 - Coeficiente de transferência de calor por convecção durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha... 91 Figura 4.22 - Coeficiente de transferência de calor por convecção durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio. ... 92 Figura 4.23 - Coeficiente de transferência de calor por radiação durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 93 Figura 4.24 - Coeficiente de transferência de calor por radiação durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 93 Figura 4.25 - Coeficiente de transferência de calor por radiação durante o processo de
aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha... 94 Figura 4.26 - Coeficiente de transferência de calor por radiação durante o processo de
Figura 4.27 - Perda de calor por convecção durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica... 95 Figura 4.28 - Perda de calor por convecção durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 96 Figura 4.29 - Perda de calor por convecção durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 96 Figura 4.30 - Perda de calor por convecção durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio. ... 97 Figura 4.31 - Perda de calor por radiação durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica... 97 Figura 4.32 - Perda de calor por radiação durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra vidro... 98 Figura 4.33 - Perda de calor por radiação durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 98 Figura 4.34 - Perda de calor por radiação durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio. ... 99 Figura 4.35 - Taxa com que a energia é acumulada no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 100 Figura 4.36 - Taxa com que a energia é acumulada no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 100 Figura 4.37 - Taxa com que a energia é acumulada no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha... 101 Figura 4.38 - Taxa com que a energia é acumulada no isolamento térmico durante o processo de aquecimento para diversas espessuras silicato de cálcio. ... 101 Figura 4.39 - Fluxo de calor fornecido para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 102 Figura 4.40 - Fluxo de calor fornecido para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 102 Figura 4.41 - Fluxo de calor fornecido para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 103
Figura 4.42 - Fluxo de calor fornecido para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio... 103 Figura 4.43 - Energia fornecida acumulada para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra cerâmica. ... 104 Figura 4.44 - Energia fornecida acumulada para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de fibra de vidro. ... 105 Figura 4.45 - Energia fornecida acumulada para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de lã de rocha. ... 105 Figura 4.46 - Energia fornecida acumulada para o forno durante o processo de aquecimento para diversas espessuras de silicato de cálcio... 106 Figura 4.47 - Energia fornecida total em função da espessura do isolamento térmico. ... 106 Figura 4.48 - Ganho energético em função da espessura do isolamento térmico. ... 107 Figura 4.49 - Temperatura superficial externa máxima em função da espessura do isolamento térmico. ... 109 Figura 4.50 - Influência da condutividade térmica e emissividade na temperatura superficial externa máxima... 118 Figura 4.51 - Influência da espessura do isolamento e condutividade térmica na temperatura superficial externa máxima. ... 119 Figura 4.52 - Influência da emissividade e espessura do isolamento na temperatura superficial externa máxima... 119 Figura 4.53 - Influência do calor específico e massa específica na temperatura superficial externa máxima. ... 120 Figura 4.54 - Influência da espessura do isolamento e emissividade no ganho energético. ... 121 Figura 4.55 - Influência da emissividade e condutividade térmica no ganho energético. ... 122 Figura 4.56 - Influência da condutividade térmica e espessura do isolamento no ganho energético. ... 122 Figura 4.57 - Influência do calor específico e massa específica no ganho energético. ... 123
-Figura A.1 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 0,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 136 Figura A.2 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 1,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 136
Figura A.3 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 2,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 137 Figura A.4 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 5,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 137 Figura A.5 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 7,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 138 Figura A.6 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 10,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 138 Figura A.7 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 25,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 139 Figura A.8 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 50,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 139 Figura A.9 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 75,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 140 Figura A.10 - Balanço de energia global em função do tempo para diferentes malhas, utilizando 100,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 140
-Figura B.1 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 0,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 141 Figura B.2 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 1,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 141 Figura B.3 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 2,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 142 Figura B.4 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 5,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 142 Figura B.5 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 7,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 143
Figura B.6 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 10,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 143 Figura B.7 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 25,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 144 Figura B.8 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 50,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 144 Figura B.9 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 75,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 145 Figura B.10 - Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento em função do tamanho representativo de malha (l), utilizando 100,0 mm de
espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 145
-Figura C.1 - Temperatura em função do tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico... 146 Figura C.2 - Temperatura em função do tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico... 146 Figura C.3 - Temperatura em função do tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 147 Figura C.4 - Temperatura em função do tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 147 Figura C.5 - Temperatura em função do tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico... 148 Figura C.6 - Temperatura em função do tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico... 148 Figura C.7 - Temperatura em função do tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 149 Figura C.8 - Temperatura em função do tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 149
Figura C.9 - Temperatura em função do tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico... 150 Figura C.10 - Temperatura em função do tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico... 150 Figura C.11 - Temperatura em função do tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 151 Figura C.12 - Temperatura em função do tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 151 Figura C.13 - Temperatura em função do tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 152 Figura C.14 - Temperatura em função do tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico... 152 Figura C.15 - Temperatura em função do tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 153 Figura C.16 - Temperatura em função do tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 153 Figura C.17 - Temperatura em função do tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 154 Figura C.18 - Temperatura em função do tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico... 154 Figura C.19 - Temperatura em função do tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 155 Figura C.20 - Temperatura em função do tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 155 Figura C.21 - Temperatura em função do tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 156 Figura C.22 - Temperatura em função do tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico. ... 156 Figura C.23 - Temperatura em função do tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 157
Figura C.24 - Temperatura em função do tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 157 Figura C.25 - Temperatura em função do tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 158 Figura C.26 - Temperatura em função do tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico. ... 158 Figura C.27 - Temperatura em função do tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 159 Figura C.28 - Temperatura em função do tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 159 Figura C.29 - Temperatura em função do tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 160 Figura C.30 - Temperatura em função do tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico. ... 160 Figura C.31 - Temperatura em função do tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 161 Figura C.32 - Temperatura em função do tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 161 Figura C.33 - Temperatura em função do tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de fibra
cerâmica como isolamento térmico. ... 162 Figura C.34 - Temperatura em função do tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico. ... 162 Figura C.35 - Temperatura em função do tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 163 Figura C.36 - Temperatura em função do tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 163 Figura C.37 - Temperatura em função do tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de fibra cerâmica como isolamento térmico. ... 164 Figura C.38 - Temperatura em função do tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de fibra de vidro como isolamento térmico. ... 164
Figura C.39 - Temperatura em função do tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de lã de rocha como isolamento térmico... 165 Figura C.40 - Temperatura em função do tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de silicato de cálcio como isolamento térmico. ... 165
-Figura D.1 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 166 Figura D.2 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de fibra de vidro. ... 166 Figura D.3 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de lã de rocha... 167 Figura D.4 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 0,5 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 167 Figura D.5 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 168 Figura D.6 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 168 Figura D.7 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de lã de rocha... 169 Figura D.8 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 1,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 169 Figura D.9 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 170 Figura D.10 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de fibra de vidro. ... 170 Figura D. 11 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de lã de rocha... 171 Figura D.12 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 2,5 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 171 Figura D.13 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 172
Figura D.14 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 172 Figura D.15 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de lã de rocha... 173 Figura D.16 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 5,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 173 Figura D.17 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 174 Figura D.18 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de fibra de vidro. ... 174 Figura D.19 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de lã de rocha... 175 Figura D.20 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 7,5 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 175 Figura D.21 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 176 Figura D.22 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 176 Figura D.23 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de lã de rocha... 177 Figura D.24 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 10,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 177 Figura D.25 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 178 Figura D.26 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 178 Figura D.27 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de lã de rocha... 179 Figura D.28 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 25,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 179
Figura D.29 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 180 Figura D.30 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 180 Figura D.31 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de lã de rocha... 181 Figura D.32 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 50,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 181 Figura D.33 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 182 Figura D.34 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 182 Figura D.35 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de lã de rocha... 183 Figura D.36 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 75,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 183 Figura D.37 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de fibra cerâmica. ... 184 Figura D.38 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de fibra de vidro. ... 184 Figura D.39 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de lã de rocha... 185 Figura D.40 - Perfil de temperatura no isolamento térmico para diversos instantes de tempo, utilizando 100,0 mm de espessura de silicato de cálcio. ... 185
-Figura E.1 - Influência da emissividade e espessura do isolamento na perda de energia por
convecção. ... 186 Figura E.2 - Influência da emissividade e condutividade térmica do isolamento na perda de energia por convecção. ... 186 Figura E.3 - Influência da condutividade térmica e espessura do isolamento na perda de energia por convecção. ... 187
Figura E.4 - Influência do calor específico e da massa específica do isolamento térmico na perda de energia por convecção. ... 187 Figura E.5 - Influência da espessura e da emissividade do isolamento na perda de energia por radiação. ... 188 Figura E.6 - Influência da emissividade e condutividade térmica do isolamento na perda de energia por radiação... 188 Figura E.7 - Influência da condutividade térmica e da espessura do isolamento na perda de energia por radiação... 189 Figura E.8 - Influência do calor específico e da massa específica do isolamento na perda de energia por radiação... 189 Figura E.9 - Influência da espessura e da emissividade do isolamento na energia acumulada no isolamento. ... 190 Figura E.10 - Influência da emissividade e da condutividade térmica do isolamento na energia acumulada no isolamento. ... 190 Figura E.11 - Influência da condutividade térmica e da espessura do isolamento na energia acumulada no isolamento. ... 191 Figura E.12 - Influência do calor específico e da massa específica do isolamento na energia acumulada no isolamento. ... 191
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Principais vantagens e desvantagens de cada tipo de forno utilizado na indústria
cerâmica. ... 43
= Tabela 3.1 – Condutividade térmica (k) em função da temperatura de operação e faixa de aplicação para cada tipo de isolamento térmico. ... 60
Tabela 3.2 - Demais propriedades dos isolamentos térmicos. ... 60
Tabela 3.3 - Coeficientes das equações discretizadas em função do volume de controle. ... 65
Tabela 3.4 - Condição de convergência em função do valor de C. ... 68
Tabela 3.5 - Níveis reais e codificados das variáveis de entrada em estudo. ... 72
Tabela 3.6 - Matriz de planejamento fatorial do tipo 25-1 com um experimento no ponto central. 73 -Tabela 4.1 - Tamanho representativo de malha em função da espessura do isolamento térmico. 82 Tabela 4.2 - Resultado do estudo de convergência de malha para a variável ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento. ... 83
Tabela 4.3 - Resultado do estudo de independência do passo de tempo para a variável ganho de energia por condução pelo isolamento térmico durante o processo de aquecimento. ... 84
Tabela 4.4 - Matriz de planejamento e resultados obtidos. ... 110
Tabela 4.5 - Níveis de significância dos fatores sobre as variáveis de resposta... 111
Tabela 4.6 - Coeficientes estatisticamente significativos para cada variável de resposta. ... 112
Tabela 4.7 - Análise de variância (ANOVA) para a resposta Qconv. ... 115
Tabela 4.8 - Análise de variância (ANOVA) para a resposta Qrad. ... 115
Tabela 4.9 - Análise de variância (ANOVA) para a resposta Qacu. ... 116
Tabela 4.10 - Análise de variância (ANOVA) para a resposta Ts2,ext,max. ... 116
LISTA DE SÍMBOLOS
aE, aP, aP0, aW, Su, SP Coeficientes [-]
A Área [m2]
Abase/teto Área do conjunto base/teto [m2]
cp Calor específico [J kg-1 K-1]
cpar Calor específico do ar [J kg-1 K-1]
cprefratário Calor específico do tijolo refratário [J kg-1 K-1]
C Parâmetro de condição de convergência de malha [-]
Ėac = dEac
𝑑𝑡 Taxa de energia acumulada no sistema [W]
Ėaciso Taxa de energia acumulada no isolamento térmico [W]
Ėent Taxa de energia que entra no volume de controle [W]
Ėg Taxa de energia que é gerada no volume de controle [W]
Ėsai Taxa de energia que sai do volume de controle [W]
Ėfornecida Taxa com que a energia é fornecida para o forno [W] Efornecida Energia fornecida durante o processo de aquecimento
do forno [J]
Efornecidaiso Energia fornecida durante o processo de aquecimento
do forno com isolamento térmico [J]
g Aceleração da gravidade [m s-2]
hc Coeficiente de convecção [W m-2 K-1]
h̅r Coeficiente de radiação [W m-2 K-1]
ICM Índice de Convergência de Malha [-]
ke Condutividade térmica na face leste do volume de
controle [W m-1 K-1]
kf Condutividade térmica do fluido (ar ambiente) [W m-1 K-1]
kf1 Condutividade térmica na face oeste do 1º volume de
controle [W m-1 K-1]
kf2 Condutividade térmica na face leste do último volume
kiso Condutividade térmica do isolamento térmico [W m-1 K-1]
ks Condutividade térmica da areia [W m-1 K-1]
kw Condutividade térmica na face leste do volume de
controle [W m-1 K-1]
𝑙 Tamanho representativo de malha [mm]
L Comprimento característico (altura da parede lateral
externa do forno) [m]
Liso Espessura do isolamento térmico [mm]
mar Massa do ar contida no interior do forno [kg]
mbase/teto Massa de tijolo refratário no conjunto base/abóbada do
forno [kg]
mparedes lat. Massa de tijolo refratário das paredes laterais do forno [kg]
Mar Massa molecular do ar [kg/kmol]
N Número de elementos de malha [-]
Nu
̅̅̅̅L Nusselt médio [-]
Pr Número de Prandtl [-]
p Ordem aparente das malhas [-]
qaquecerar Taxa de energia para aquecer o ar no interior do forno [W] q aquecer
base/teto Taxa de energia para aquecer o conjunto base/teto do
forno [W]
qaquecerparedes lat. Taxa de energia para aquecer as paredes laterais do
forno [W]
qaquecerpeças Taxa de energia para aquecer as peças no interior do
forno [W]
qperdido Calor perdido [W]
qperdidobase/teto Calor perdido pelo conjunto base/teto do forno
[W] qperdidoparedes lat. Calor perdido pelas paredes laterais do forno [W] qentraiso Taxa com que a energia entra no isolamento térmico [W]
qsaiiso Taxa com que a energia sai do isolamento térmico [W]
qrad Perda de calor por radiação [W] Qentraiso Ganho de energia por condução pelo isolamento térmico
durante o processo de aquecimento [J]
Qconv Energia perdida por convecção ao longo do processo de
aquecimento [J]
Qrad Energia perdida por radiação ao longo do processo de
aquecimento [J]
Qacu Energia acumulada no isolamento térmico na etapa de
aquecimento [J]
R Constante universal dos gases [kJ kg-1 K-1]
RaL Número de Rayleigh
S Termo fonte [W m-3]
T Tempo [s]
Tint Temperatura no interior do forno [°C]
Tmed Temperatura média na parede do forno [°C]
Tmed,iso Temperatura média do isolamento térmico [°C]
Ts,int Temperatura superficial interna [°C]
Ts,ext Temperatura superficial externa [°C]
Ts2,ext Temperatura superficial externa ao isolamento térmico [°C] Ts2,ext,max Temperatura superficial externa máxima ao isolamento [°C]
Tamb = T∞ Temperatura ambiente [°C]
Tviz Temperatura da vizinhança [°C]
Tf Temperatura de película [°C]
TE Temperatura no volume de controle E no instante t + ∆t [°C]
TP Temperatura no volume de controle P no instante t + ∆t [°C]
TP0 Temperatura no volume de controle P no instante t [°C]
TW Temperatura no volume de controle W no instante t + ∆t [mm]
δxPE Distância entre os centroides P e E [mm]
δxWP Distância entre os centroides W e P [mm]
δxwP Distância entre a face w e o centroide P [mm]
∆x Comprimento do volume de controle P [mm]
α Difusividade térmica [m2 s-1]
β Coeficiente de expansão volumétrica [K-1]
ε Emissividade [-]
υ Viscosidade cinemática [m2 s-1]
ρ Massa específica [kg m-3]
σ Constante de Stefan-Boltzmann [W m-2 K-4]
ϕ Variável de resposta no estudo de convergência de
malha [MJ]
ϕext21 Solução extrapolada para a variável de resposta
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ...28 INTRODUÇÃO ...28 1.1 Objetivo geral ... 30 1.2 Objetivos específicos ... 30 CAPÍTULO 2 ...32 REVISÃO DA LITERATURA ...32 2.1 Cerâmica ... 32 2.1.1 Histórico ... 32 2.1.2 Processo de manufatura ... 34 2.1.3 Curva de secagem... 36 2.1.4 Curva de queima... 40 2.2 Fornos ... 41 2.2.1 Tipos de fornos ... 41 2.2.1.1 Forno intermitente ... 42 2.2.1.2 Forno contínuo ... 43 2.2.2 Combustíveis usados em fornos ... 45 2.2.3 Consumo energético dos fornos ... 46 2.3 Estado da arte ... 47 CAPÍTULO 3 ...50 MATERIAIS E MÉTODOS ...50 3.1 Problema físico ... 50 3.2 Procedimento Experimental ... 51 3.3 Formulação matemática ... 52 3.3.1 Forno sem isolamento térmico ... 52 3.3.2 Forno com isolamento térmico. ... 59 3.4 Planejamento experimental ... 71 CAPÍTULO 4 ...74 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...74 4.1 Forno sem isolamento térmico ... 74 4.2 Forno com isolamento térmico ... 814.3 Planejamento experimental ... 109 CAPÍTULO 5 ...124 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ...124 5.1 Conclusões ... 124 5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 126 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...127 APÊNDICES ...135 APÊNDICE A – Balanço de energia global no isolamento térmico para diferentes malhas ...136 APÊNDICE B – Gráficos de convergência de malha...141 APÊNDICE C – Temperatura em função do tempo para diversas posições no interior do isolamento térmico ...146 APÊNDICE D – Temperatura em função do tempo para diversas posições no interior do isolamento térmico ...166 APÊNDICE E – Superfícies de resposta para as variáveis Qconv, Qrad e Qacu ...186
28
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A cerâmica vermelha, classe à qual pertence o tijolo usado na construção civil, acompanha a humanidade desde tempos remotos, sendo considerado por muitos como o material artificial mais antigo produzido pelo homem (HEIMKE; GRISS, 1980). A maioria dos materiais cerâmicos são classificados nos seguintes grupos: vidros, argilas, refratários, abrasivos, cimentos e as cerâmicas avançadas (CALLISTER JR; RETHWISCH, 2012). Os principais produtos da indústria cerâmica vermelha são os tijolos furados, tijolos maciços, lajes, blocos de vedação e estruturais, telhas, manilhas e pisos rústicos.
As propriedades térmicas e mecânica dos produtos cerâmicos são influenciadas tanto pela composição da argila utilizada, como pela microestrutura da peça, que por sua vez é obtida em função de parâmetros do processamento.
As principais etapas do processo de produção de produtos cerâmicos são: preparação da matéria-prima, conformação e processamento térmico (secagem e queima). A secagem é um processo termodinâmico, através do qual a redução da umidade ocorre pelo fornecimento de energia ao material na forma de calor. O transporte de água do interior para a superfície do material pode ocorrer na fase líquida e / ou vapor, dependendo do tipo de produto e da porcentagem de umidade presente no mesmo (ALMEIDA, 2009). No processo de secagem, a temperatura, a umidade relativa e a velocidade do ar são parâmetros importantes que devem ser controlados para evitar falhas, tais como rachaduras e deformações. Essas falhas afetam a qualidade da peça cerâmica, gerando prejuízos econômicos para as indústrias cerâmicas (BRITO et al., 2016).
Após a etapa de secagem, a peça moldada é submetida ao processo de queima com o intuito de lhe conferir rigidez e resistência mecânica. A temperatura de queima é da ordem de 750 a 900°C para tijolos, de 900 a 950°C para telhas e 950 a 1200°C para tubos cerâmicos (SILVA, 2009). Após a queima, a peça é resfriada sob condições controladas. Assim, após o resfriamento, os produtos passam por um controle de qualidade que consiste em uma inspeção visual para descartar as peças quebradas, trincadas, lascadas ou queimadas em excesso (ALMEIDA, 2009).
29 Os equipamentos térmicos onde as etapas de secagem e queima são realizadas são chamados de fornos. A estrutura destes equipamentos é feita de material refratário, que são cerâmicas com característica de suportar temperaturas acima de 3000°C. Mesmo em tais níveis de temperatura, estes materiais são capazes de manter a resistência mecânica e os níveis de isolamento necessários para o processamento de peças cerâmicas (GUPTA, 2016).
Os fornos utilizados na indústria de cerâmica vermelha podem ser classificados em dois grupos: intermitentes ou contínuos (tipo túnel). Nos fornos intermitentes, a peça cerâmica é colocada em uma determinada posição e permanece lá até que a temperatura desejada seja alcançada, sendo resfriada até a temperatura ambiente e então retirada, geralmente através da mesma porta pela qual foi colocada no interior do equipamento. Nos fornos contínuos, a secagem e a queima são feitas continuamente, sem interrupção para colocar ou retirar as peças; enquanto uma quantidade de peças atinge o final do processo, outra quantidade igual ou semelhante está iniciando o processo (MELCHÍADES, 2012).
O processo de produção de produtos cerâmicos requer um alto consumo de energia. Crasta (2006), em pesquisa realizada na Itália, mostra que o custo energético necessário para a produção de produtos cerâmicos representa cerca de 23% do custo médio total de produção, evidenciando que o custo energético tem um peso bastante significativo sobre o preço do produto acabado. Além do custo, tem-se a questão ambiental, haja vista que a energia é fornecida pela queima de combustíveis que, durante a reação de combustão, emitem gases poluentes na atmosfera. Diante do exposto, é crucial desenvolver maneiras de aumentar a eficiência energética do processamento de produtos cerâmicos, tanto pela questão financeira quanto pela questão ambiental.
Os isolantes térmicos são materiais caracterizados pela sua capacidade de retardar a transferência de calor, característica útil em diversos processos industriais. Esses materiais têm em comum a baixa condutividade térmica, uma propriedade que quantifica a taxa na qual a energia é transferida pelo processo de difusão térmica (BERGMAN et al., 2011). Entre as principais funções do isolamento térmico, estão:
• Conservação de energia através da redução da perda ou do ganho de calor;
• Controlar a temperatura superficial de fornos e outros equipamentos para conforto e proteção pessoal;
• Evitar a condensação do vapor de água em superfícies frias, como dutos de ar condicionado e água gelada;
30 • Aumentar a eficiência operacional dos sistemas de aquecimento, ventilação, ar condicionado, refrigeração, encanamento e vapor, encontrados em instalações comerciais e industriais;
• Evitar ou reduzir danos ao equipamento devido a corrosão atmosférica ou a exposição ao fogo.
Embora pesquisas indiquem que a energia perdida nos fornos depende das propriedades termofísicas dos materiais isolantes e da espessura do isolamento (CHEN; CHUNG; LIU, 2005; HADAŁA; MALINOWSKI; RYWOTYCKI, 2017), trabalhos que quantifiquem a influência do tipo e espessura do isolamento térmico no ganho energético e o seu efeito na temperatura superficial externa do forno são escassos (GOMEZ et al., 2019a; GOMEZ et al., 2019b), especialmente na indústria cerâmica, o que permitem novas pesquisas nesta linha de trabalho.
1.1 Objetivo geral
O objetivo geral desta pesquisa é estudar energeticamente um forno/secador do tipo intermitente, operando com gás natural como combustível, para a indústria cerâmica, quantificando as transferências de calor que ocorrem ao longo dos processos transientes de aquecimento e resfriamento.
1.2 Objetivos específicos
Como objetivos específicos pode-se citar:
a) Desenvolver uma modelagem matemática transiente para estudar energeticamente um forno secador intermitente para a indústria cerâmica operando com gás natural como combustível;
b) Desenvolver um código computacional no software Excel para calcular as trocas térmicas entre o forno e a vizinhança, baseando-se na primeira lei da termodinâmica.
c) Desenvolver modelagem matemática, sua solução numérica e código computacional no software Excel para calcular as trocas térmicas entre o forno com isolamento térmico nas paredes laterais e a vizinhança, baseando-se na primeira lei da termodinâmica e no método numérico dos volumes finitos.
31 d) Quantificar as transferências de calor que ocorrem em um forno cerâmico intermitente
durante as etapas de aquecimento e resfriamento.
e) Desenvolver um estudo de convergência de malha representando o isolamento térmico, baseado na extrapolação de Richardson, conhecido como Índice de Convergência de Malha (ICM).
f) Verificar a influência do tipo e espessura do isolamento térmico na distribuição de temperatura no isolamento térmico, nos coeficientes de transferência de calor por convecção e radiação, na perda de calor por convecção e radiação pelas paredes laterais, na taxa com que a energia é acumulada no isolamento térmico, na energia que deve ser fornecida para o forno, na temperatura superficial externa máxima e no ganho energético, quando comparado com o forno sem isolamento térmico;
g) Desenvolver um planejamento experimental para avaliar a influência da espessura, condutividade térmica, massa específica, calor específico e emissividade do isolamento térmico e de suas interações nas energias perdidas por convecção e por radiação ao longo do processo de aquecimento, na energia acumulada no isolamento térmico durante a etapa de aquecimento, na temperatura superficial externa máxima e no ganho energético do equipamento.
32
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Cerâmica
Cerâmica ou material cerâmico compreende todos os materiais inorgânicos, não metálicos, obtidos geralmente após tratamento térmico em temperaturas elevadas (SILVA et al., 2016). Materiais cerâmicos são materiais obtidos a partir da queima da argila e são largamente utilizados na construção civil.
Segundo Brongniart (1844), a argila é a matéria prima mais difundida na superfície da terra, sendo a mais fácil de trabalhar e moldar, além de permitir diversas aplicações práticas e artísticas. Essas características justificam o fato de a cerâmica ter aparecido em diversas civilizações, em períodos diferentes e em todos os continentes, já no final do período paleolítico (BOCH; NIEPCE, 2010).
2.1.1 Histórico
Descobertas indicam que as primeiras cerâmicas surgiram em Dolni Vestonice (sítio arqueológico da República Checa) em aproximadamente 26000 a.C., em seguida na Sibéria em 12000 a.C., China em 11.000 a.C. e Mesopotâmia em 8.000 a.C (VANDIVER, 1990; MARGUERON, 2003; BOCH; NIEPCE, 2010).
A disseminação da cerâmica foi observada tanto na Ásia, quanto no Oriente Médio e Europa no final do período Neolítico, entre 7.000 e 6.000 a.C. (BOCH; NIEPCE, 2010). Este fato coincide com o período em que o homem passa de nômade para a fase sedentária, ou seja, deixa de viver se deslocando de um lugar para o outro buscando moradia, alimento e outros recursos essenciais para sua sobrevivência e passa a se fixar em um lugar, transição essa que foi possível graças à agricultura, caça, pesca e criação de gado. Com esse novo estilo de vida, os seres humanos sentiram
33 a necessidade de armazenar água, alimento e sementes, utilizando casca de árvore, crânio de animais e, posteriormente, vasilhas cerâmicas para este fim (KAWAGUTI, 2005).
Também foi nesse período que o homem teve a necessidade de criar espaços em busca de abrigo para se defender dos predadores, dos rigores da natureza e de seus próprios semelhantes de tal forma que a sua sobrevivência dependia da segurança destes refúgios. Desta época, surgiram os primeiros tijolos e telhas cerâmicas, que ainda são largamente empregados na construção civil.
Foram os romanos, pelas necessidades crescentes de construção devido a sua constante expansão territorial, os que primeiro estabeleceram a fabricação de cerâmicas como atividade industrial (CORRIA ARADAS, 1996). Durante o período imperial, eram utilizados telhas cozidas e tijolos queimados de boa qualidade nas construções (SANTOS, 2001). A cerâmica também teve grande importância no comércio da Roma Antiga, onde os artefatos cerâmicos de elevada qualidade eram transportados por longas distâncias. Isso era possível graças a capacidade de alguns produtores em satisfazer uma clientela de classe média-alta que não estava contente com os produtos locais (RAEPSAET, 2012). Kawaguti (2005) constata que muito dos conhecimentos relacionados a fabricação de produtos cerâmicos se perderam no obscurantismo da Idade Média.
O grande incêndio de Londres, ocorrido em 1666, fez com que os materiais cerâmicos voltassem a ter grande importância nas edificações. Na época do incêndio, Londres ainda tinha uma arquitetura medieval, com ruas estreitas e casas muito próximas umas das outras. As casas eram feitas de madeira do carvalho com as paredes e tetos cobertos de alcatrão, que evita a umidade da chuva, porém, tornando suas estruturas mais vulneráveis ao fogo. Todos esses fatores influenciaram para a uma das maiores catástrofes da capital inglesa. Após esse acontecimento fatídico, as casas passaram a ser reconstruídas com telhas e tijolos cerâmicos com cimento.
Até o final do século XIX, o sistema de produção de produtos cerâmicos não sofreu grandes mudanças. Até esse período a produção era manual, a secagem era feita ao sol e a queima era realizada em fornos de campanha (ou caieira), um tipo de forno intermitente com baixo rendimento térmico. O sistema produtivo começou a evoluir significativamente a partir da Revolução Industrial e da introdução da primeira máquina a vapor, a partir da qual foi possível mecanizar a operação de preparação e extrusão da argila, além de aumentar a eficiência e capacidade produtiva (SANTOS, 2001).
Outro avanço tecnológico considerável para a indústria cerâmica foi o surgimento do primeiro forno anular tipo Hoffman. Tal sistema de queima, revolucionário para a época, foi capaz
34 de racionalizar a produção, reduzindo-se drasticamente o consumo térmico dos fornos. Com este tipo de forno, foi possível controlar e regular a alimentação de combustível e a quantidade de ar necessário para a combustão, além de aproveitar os gases de combustão para o pré-aquecimento das peças cerâmicas (SANTOS, 2001).
2.1.2 Processo de manufatura
As principais etapas do processo de produção de produtos cerâmicos são: preparação da matéria-prima, conformação e processamento térmico (secagem e queima).
No processo de manufatura de materiais cerâmicos, água é adicionada à argila para aumentar a sua plasticidade e permitir que peças sejam moldadas facilmente em diferentes formas sem rachar (SILVA et al., 2011, 2012, 2016). Após a moldagem, a peça deve passar pela etapa de secagem, que consiste em um processo termodinâmico de transferência de calor e remoção de umidade em materiais porosos (SILVA et al., 2016). Pelo fato de o processo de secagem promover variações volumétricas na peça moldada, esta água precisa ser retirada cuidadosamente e de forma homogênea para evitar a formação de trincas, torções e outros tipos de defeitos (BATISTA; NASCIMENTO; LIMA, 2009).
A secagem é a etapa do processo de manufatura de produtos cerâmicos que precede a queima e utiliza uma quantidade apreciável de energia térmica para evaporar a água que foi adicionada durante o processo de moldagem (ALMEIDA et al., 2013; BRITO et al., 2016). É importante que as peças cerâmicas sejam submetidas ao processo de secagem para conferi-las resistência e consistência necessárias durante a etapa de queima (CADÉ; NASCIMENTO; LIMA, 2005). Se a umidade do material não for removida na etapa de secagem, a temperatura extrema no forno irá forçar a saída da água durante o processo de queima, aumentando os riscos de formação de defeitos e poderá levar até a explosão do produto (SILVA et al., 2011; ALMEIDA et al., 2014).
A etapa de secagem requer maior tempo e cuidado quando comparado com outras etapas do processo de produção de produtos cerâmicos (ITAYA et al., 2005). O principal parâmetro para se obter um processo de secagem otimizado é a taxa de secagem (BATISTA; NASCIMENTO; LIMA, 2008). Taxas de secagem mais elevadas encurtam o tempo de processo, aumentando a produtividade, porém provocam maiores variações de volume nas peças que podem resultar no aparecimento de defeitos. A correta determinação e o controle deste parâmetro em cada instante de
35 tempo do processo podem prevenir rachaduras, fissuras, deformações excessivas e empenamentos (ALMEIDA et al., 2014; SILVA et al., 2016), que comprometem a qualidade do produto final.
De acordo com a literatura (REED, 1995; ITAYA; HASATANI, 1996; AUGIER et al., 2002; CADÉ et al., 2005; BATISTA et al., 2008, 2009, SILVA et al., 2011, 2012; ALMEIDA et al., 2014; KHALILI; BAGHERIAN; KHISHEH, 2014; ARAÚJO; DELGADO; BARBOSA DE LIMA, 2016; ARAÚJO et al., 2017; BRITO et al., 2016), as variáveis operacionais que influenciam no processo de secagem são: temperatura, umidade relativa e velocidade do ar de secagem, tempo, forma, espessura, relação área/volume, granulometria, umidade inicial e propriedades do material cerâmico. O entendimento de tais variáveis é importante para determinação da curva ideal de secagem para cada tipo de produto. A forma com que cada variável operacional influencia na secagem de produtos cerâmicos foi objetivo de estudo de diversas pesquisas, como segue:
• Os mecanismos de transferência de massa, calor e o fenômeno do encolhimento (shrinkage) são mais intensos em peças com umidade inicial alta e, principalmente, em materiais cerâmicos de granulometria fina (REED, 1995; ITAYA; HASATANI, 1996; BATISTA et al., 2008, 2009, SILVA et al., 2011, 2012; ALMEIDA et al., 2014);
• Maior temperatura e menor umidade relativa do ar de secagem implicam em uma maior taxa de secagem e, consequentemente, menor tempo total de secagem (BATISTA et al., 2008, 2009; SILVA et al., 2012; ALMEIDA et al., 2014; KHALILI et al., 2014);
• Quanto maior a velocidade do ar de secagem, maior é o gradiente de temperatura no material cerâmico (ARAÚJO et al., 2016);
• Quanto maior o tempo de secagem menor será o teor médio de umidade, em qualquer ponto dentro do sólido (SILVA et al., 2011, 2012; ALMEIDA et al., 2014; KHALILI et al., 2014);
• A forma do corpo interfere na cinética de secagem. Quanto maior a relação área/volume, mais rápida será a secagem (CADÉ et al., 2005; BATISTA et al., 2008, 2009, SILVA et al., 2012, 2016; KHALILI et al., 2014);
• Maiores níveis do teor de umidade inicial implicam em maiores índices de retração volumétrica (BATISTA et al., 2008, 2009);
• As difusividades térmica e de massa influenciam fortemente nas transferências de calor e massa, respectivamente, durante a secagem, sendo responsáveis pela velocidade com que cada processo ocorre (SILVA et al., 2016);
36 • As áreas próximas aos vértices (cantos) do produto cerâmico apresentam as maiores taxas de transferência de calor e massa (AUGIER et al., 2002; CADÉ et al., 2005; BATISTA et al., 2008, 2009, SILVA et al., 2012, 2011; ALMEIDA et al., 2014; KHALILI et al., 2014; ARAÚJO et al., 2016, 2017; BRITO et al., 2016). Tais regiões estão mais susceptíveis a formação de defeitos;
• Como mencionado anteriormente, a temperaturas do ar de secagem elevadas e umidades relativas baixas são condições operacionais que influenciam numa secagem mais rápida do material. Estes efeitos são, por sua vez, mais acentuados que os gerados pela relação área/volume e pelo teor de umidade inicial (BATISTA et al., 2008, 2009). É válido ressaltar que, quando a temperatura e a umidade relativa do ambiente de secagem são as mesmas para peças cerâmicas diferentes, o teor de umidade inicial e a relação área/volume dominam a cinética de secagem (BATISTA et al., 2008, 2009).
2.1.3 Curva de secagem
Diversos autores relatam que a curva de secagem pode ser dividida em um estágio de taxa constante e um estágio de taxa decrescente (FORTES; OKOS, 1980; BROSNAN; ROBINSON, 2003; KOWALSKI, 2012; FORD, 2013; KHALILI et al., 2014; ARAÚJO et al., 2016). Se o teor de umidade for plotado em função do tempo de processamento, obtém-se uma curva de secagem semelhante à Figura 2.1. A curva da taxa de secagem, obtida através do coeficiente angular da curva de secagem em cada instante de tempo, é muito útil na análise do processo de secagem (KOWALSKI, 2012) e apresenta um comportamento semelhante ao ilustrado na Figura 2.2. Pelas Figuras 2.1 e 2.2, observa-se que a curva de secagem pode ser dividida em três períodos distintos (FORD, 2013):
• Período de taxa constante, no qual a taxa de evaporação da água contida no produto a ser secado independe do teor de umidade;
• Primeiro período de taxa decrescente, em que a taxa de secagem é uma função linear do teor de umidade.
• Segundo período de taxa decrescente, no qual a taxa de secagem apresenta uma relação curvilínea com o teor de umidade.
37 Figura 2.1 - Curva de secagem.
Fonte: Adaptado de Ford (2013).
Figura 2.2 - Curva da taxa de secagem.
Fonte: Adaptado de Ford (2013).
Em alguns casos, dependendo das condições de secagem e do tipo de material, não é possível diferenciar o primeiro e o segundo período de taxa decrescente de tal forma que a curva de secagem é dividida em um período de taxa constante e um único período de taxa decrescente (Figura 2.3).
38 Quando a curva da taxa de secagem intercepta o eixo das abcissas (Figura 2.2), significa que a transferência líquida de umidade do produto para o meio de secagem é nula e, consequentemente, o equilíbrio é atingido.
O teor de umidade no ponto B nas Figuras 2.1 e 2.2 é conhecido como o teor crítico de umidade (Mc). Além de ser o ponto de transição entre o estágio de taxa constante e o estágio de taxa decrescente, o ponto B é caracterizado pela redução significativa do fenômeno de encolhimento do produto a ser secado. Por isso, quando o produto cerâmico ultrapassa o ponto B, a secagem pode ser conduzida sem medo de produzir grandes deformações, trincas, empenamentos ou outros tipos de falhas provenientes do processo de secagem (BROSNAN; ROBINSON, 2003; KHALILI et al., 2014). Naturalmente esta informação é fortemente dependente das condições de secagem.
Figura 2.3 - Curva de secagem e taxa de secagem com apenas um período de taxa decrescente.
Fonte: Adaptado de Ford (2013).
No período de taxa constante, a taxa de evaporação da umidade é função das condições externas (FORD, 2013). A taxa de evaporação na superfície é determinada pela taxa de difusão do vapor de água através da película estacionária de ar no entorno do material. A taxa de difusão, por sua vez, é proporcional a diferença entre a pressão parcial do vapor de água na superfície do material e a pressão parcial de vapor do ar de secagem (ARAÚJO et al., 2016). Além disso, a taxa de difusão cresce com o aumento da velocidade do ar de secagem devido a elevação dos coeficientes de transferência de massa e calor por convecção (ARAÚJO et al., 2016).
39 Durante o primeiro estágio de secagem, a superfície do material se comporta como uma superfície de água livre de tal forma que a água fluindo do interior do objeto até a superfície ocorre em uma taxa suficiente para manter a superfície úmida (FORD, 2013). A magnitude do primeiro estágio de secagem depende das diferenças de temperatura e de umidade relativa entre o ar de secagem e a superfície úmida do sólido. Além disso, depende da área do material exposta ao ar de secagem, da geometria e dos coeficientes de transferência de calor e massa (ARAÚJO et al., 2016). Se a secagem é acelerada de forma demasiada no primeiro estágio de secagem, ocorrerá uma notável e imediata redução da taxa de secagem no segundo estágio, devido ao ressecamento da superfície, além de deformação indesejada, formação de rachadura e demais falhas (ITAYA; HASATANI, 1996). Dessa forma, no período de taxa constante é comum empregar as mais baixas temperaturas e mais elevadas umidades relativas do processo de secagem. É importante ressaltar que cessado o primeiro estágio, a estratégia de secagem muda, e o encolhimento é reduzido drasticamente nos períodos de taxa decrescente (BROSNAN; ROBINSON, 2003), dependendo das condições operacionais do ar de secagem.
Após o ponto B ser alcançado (Figuras 2.1 e 2.2), inicia-se o primeiro período de taxa decrescente. Em tal período de secagem, água liquida ainda se move do interior para a superfície do produto e a evaporação ainda ocorre a partir da superfície, embora a mesma não mais se comporte como água livre (FORD, 2013). Dessa forma, a taxa de difusão dentro do objeto a ser secado controla a taxa de secagem (BROSNAN; ROBINSON, 2003), dependendo fortemente das condições de transporte de umidade dentro do material (KOWALSKI, 2012). Por este fato, aliado com a redução significativa do encolhimento após ultrapassado o teor crítico de umidade (Mc), é comum aumentar a temperatura e a velocidade do ar para acelerar o processo de secagem (BROSNAN; ROBINSON, 2003).
No segundo período de taxa decrescente, a água residual nos capilares próxima a superfície e a água da superfície são totalmente removidas (BROSNAN; ROBINSON, 2003). Desta forma, a evaporação passa a ocorrer dentro do sólido e o vapor atinge a superfície através da difusão através dos poros (FORD, 2013). A taxa de difusão dentro do objeto a ser secado continua controlando a taxa real de eliminação da umidade. Outra característica do segundo estágio de secagem é o aumento contínuo da temperatura do produto, a partir da temperatura de bulbo úmido até a temperatura do meio de secagem (KOWALSKI, 2012).
40 2.1.4 Curva de queima
O processo de queima de materiais cerâmicos em fornos, contínuos ou não, deve seguir uma curva de queima pré-estabelecida. A curva de queima relaciona a temperatura da peça com o tempo de processamento (ou comprimento do forno para o tipo túnel), indicando a taxa na qual a peça deverá ser aquecida ou resfriada e a temperatura de operação em cada instante de tempo.
As Figuras 2.4 e 2.5 ilustram, respectivamente, curvas de queima típicas para produtos cerâmicos em forno intermitente e forno tipo túnel. À medida que a cerâmica é aquecida ou resfriada, ela é submetida a processos de expansão e compressão. A presença de reações, decomposições e mudanças de fase afetam significativamente as taxas na qual a peça é expandida e comprimida durante o processo de queima. Caso o gradiente de temperatura no processo de queima provoque tensões térmicas superiores ao limite permitido pelo material, o mesmo poderá trincar, rachar ou romper, impossibilitando o seu uso em uma aplicação específica. Esse gradiente de temperatura elevado pode ser provocado tanto por taxas de aquecimento e resfriamento elevadas ou por uma queima não uniforme.
41 Figura 2.5 - Curva de queima genérica de produtos cerâmicos em forno tipo túnel.
Quando as taxas de contração e expansão do material são elevadas, as taxas de variação de temperatura no forno devem ser mínimas para reduzir tensões internas. Já para o caso em que as taxas de contração e expansão do material são baixas, as taxas de aquecimento e resfriamento no forno podem ser maiores. As propriedades que afetam a resistência as tensões térmicas são o módulo de elasticidade, o coeficiente de expansão volumétrica, o coeficiente de Poisson e, em alguns casos, a condutividade térmica, a difusividade térmica e a emissividade do material (KINGERY; BOWEN; UHLMANN, 1976).
Para cada temperatura em uma curva de queima, há uma taxa de aquecimento e resfriamento crítica de tal forma que, se a mesma for ultrapassada, certamente acontecerá perdas de qualidade do produto. Otimizar uma curva de queima para determinado material significa conhecer tais taxas de aquecimento e resfriamento críticas para cada temperatura e produto. Desta forma, é importante que a curva de queima seja a mais curta possível, sem comprometer a qualidade do produto, reduzindo custos com consumo de energia e aumentando a produtividade do processo (DINGER, 2010).
2.2 Fornos
42 Forno pode ser definido como uma estrutura dentro da qual é possível aquecer materiais à elevadas temperaturas. Na indústria cerâmica, esses equipamentos são feitos de material refratário, que são cerâmicas capazes de manter sua resistência e integridade física à elevadas temperaturas (acima de 3000°C). Os fornos podem ser classificados em dois grandes grupos: fornos intermitentes ou contínuos (tipo túnel).
2.2.1.1 Forno intermitente
A característica que define os fornos intermitentes, representado na Figura 2.6, é o fato de a carga a ser aquecida é colocada em certa posição e permanecer lá durante todo o processo de aquecimento, queima e resfriamento, sendo então retirada, geralmente através da mesma porta pela qual foi colocada no interior do equipamento. São especialmente empregados para queimas de pequenas séries de diversas formas e medidas, haja vista que são de grande flexibilidade, permitindo ciclos curtos ou longos, dependendo das características do produto a queimar.
43 2.2.1.2 Forno contínuo
Fornos contínuos (tipo túnel) tem como principal característica o seu elevado comprimento. As peças são deslocadas de forma lenta por toda a extensão do forno, de tal forma que o processo de pré-aquecimento, queima e resfriamento são feitos de maneira contínua. É importante ressaltar que nesse tipo de forno, o resfriamento acontece até a temperatura ambiente e a peça é retirada por uma porta diferente da qual entrou (geralmente localizada no final do equipamento). A Tabela 2.1 indica as principais vantagens e desvantagens de cada tipo de forno utilizado na indústria cerâmica (REMMEY, 1994; SANTOS, 2001; KAWAGUTI, 2005).
Tabela 2.1 - Principais vantagens e desvantagens de cada tipo de forno utilizado na indústria cerâmica.
Classificação do
forno VANTAGENS DESVANTAGENS
Intermitente
- Concepção simples;
- Maior flexibilidade da produção; - Custo de construção mais baixo; - Tempo de construção mais baixo; - Manutenção sem parada da produção;
- Melhor reação as flutuações de mercado e sua demanda.
- Menor rendimento térmico; - Maior ciclo de queima;
- Não há aproveitamento dos gases de exaustão;
- Aquecimento irregular;
- Maior necessidade de mão-de-obra para operação.
Contínuo
- Maior rendimento térmico; - Menor ciclo de queima; - Controle e aproveitamento dos gases de exaustão;
- Aquecimento mais homogêneo; - Menor necessidade de mão-de-obra.
- Concepção mais complexa; - Menor flexibilidade de produção; - Custo de construção mais elevado; - Tempo de construção mais
elevado;
- Parada de produção para manutenção;
- Baixa reação às flutuações de mercado e sua demanda.
44 Segundo Remmey (1994), fornos contínuos, em geral, necessitam de metade do combustível que seria utilizado por fornos intermitentes para queimar a mesma quantidade de produto com uma mesma curva de queima. Segundo o autor, os dois principais fatores para que isso seja possível, são:
• As paredes dos fornos contínuos não necessitam serem aquecidas em cada ciclo, na verdade, em determinadas situações, elas permanecem aquecidas por anos. Desta forma, o calor fornecido para aquecer as paredes laterais dos fornos contínuos é, em grande parte, armazenado, consumindo uma quantidade consideravelmente menor de energia térmica quando comparado com os fornos intermitentes, cujas paredes devem ser aquecidas sempre que for adicionado um novo lote de peças.
• A razão mais importante para elevar a eficiência dos fornos contínuos é o fato de as peças se deslocarem no sentido contrário ao fluxo dos gases de exaustão (contracorrente), intensificando as trocas térmicas entre os produtos e os gases. Esse fenômeno só é possível se houver um gradiente de pressão positivo no sentido da entrada das peças até a região central do forno, como indicado na Figura 2.7, haja vista que o escoamento do fluido tende a ocorrer no sentido da região de maior pressão para a região de menor pressão.
Figura 2.7 - Distribuição de pressão em um forno contínuo.
